Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекція

Реле постійного струму

Принцип дії, механічна і тягова характеристики нейтрального електромагніту постійного струму

Електромагнітний механізм постійного струму - це перетворювач електричного сигналу в механічне переміщення.

Вхідний електричний сигнал подається на обмотку електромагніту (рис. 12.1,а). При цьому обмоткою створюється магнітний потік, який замикається по магнітопроводу. Одна з частин останнього (якір 3) може переміщуватися відносно інших нерухомих частин (ярмо 2, осердя 1). Якір електромагніту механічно жорстко пов'язаний з робочим органом деякого виконавчого пристрою (контактними пружинами, золотником, заслінкою тощо).

Рис 12.1. Електромагнітне реле (а) і його характеристики (б, в)

Під час проходження магнітного потоку через робочий зазор (зазор між рухомою і нерухомою частинами) створюється тягове зусилля, завдяки якому електромагніт, долаючи сили механічного опору, притягує якір, і переміщує тим самим робочий орган виконавчого пристрою.

Оскільки знак сили притягання, що виникає в робочому зазорі, не залежить від знака магнітного потоку (напряму струму в обмотці), тобто механізм нейтральний до полярності напруги, яка подається на обмотку, то його називають нейтральним електромагнітом.

Електромагніти широко застосовуються в інформаційно-вимірювальній техніці як комутуючі елементи (в пристроях вводу поправок для перемикання опору в подільниках порогових схем; для перемикання або зсуву опорної напруги; в блоках керування і у вимірювальних схемах приладів, які ґрунтуються на методі зрівноважувального перетворення; в пристроях перетворення величини в код тощо).

На якір електромагніту під час переміщення діють дві сили, які змінюються залежно від положення якоря: тягове зусилля електромагніту Fе і результуюче протидіюче зусилля Fn, зумовлене інерційністю рухомих частин, силами тертя і силами механічного опору виконавчого механізму.

В загальному випадку рух якоря електромагніту визначається рівнянням

З огляду на те, що для більшості електромагнітів сиди інерції m(d2x/dt2) та сили тертя r(dx/dt) значно менші, ніж сили механічного опору Mмех=f(х), спрощено можна вважати, шо

Як ліва, так і права частини рівняння (12.2) залежать від переміщення якоря і можуть бути виражені у вигляді кривих

Fмех=f1(х) і Fе=f2(х).

Проте для електромагнітних механізмів зручніше користуватися залежністю не від переміщення якоря х, а від значення робочого зазору між якорем і осердям. В цьому разі матимемо (рис. 12.1,б, в) механічну (протидіючу)

Fмех=f1() і тягову Fе=f2() характеристики.

Тягова і механічна характеристики є статичними, оскільки вони не враховують сил, які діють під час руху якоря і які залежать від швидкості і прискорення цього руху.

Очевидно, що рух якоря (спрацювання електромагніту) можливий лише за умови Fе>Fмех, тобто коли тягова характеристика на графіку розміщена вище за механічну.

Для електромагнітів, що працюють в дискретному режимі (два усталених положення при max та 0, які відповідають відсутності та наявності вхідного сигналу), найкращим вважають таке узгодження, коли тягова характеристика весь час з порівняно невеликим, постійним запасом вища за механічну (тобто має той самий нахил, що й механічна).

Електромагніт можна застосовувати і для роботи в безперервному режимі, коли положення якоря стійке при будь-якому зазорі від max до 0.

Забезпечити безперервний режим можна за умови, якщо тягова характеристика має менший нахил, ніж механічна. Тоді точка перетину характеристик (точка стійкого положення якоря) визначається силою струму в обмотці (рис. 12.1,в). Наявність певного мінімального зазору 0, що утворюється за рахунок немагнітних прокладок (штифтів) між якорем і осердям, потрібна для надійного відпускання електромагніту (тобто повернення якоря в початкове положення після зняття напруги з обмотки).

Річ у тому, що і після зняття сигналу в магнітопроводі буде залишковий потік, зумовлений характером гістерезисної петлі матеріалу магнітопроводу. Цей потік, коли зазор малий, може бути достатнім для створення тягового зусилля, яке перевищує протидіючі сили, а це призведе до відказу повернення (відпускання) якоря. Мінімальний зазор вибирають так, щоб виключити можливість відказу (повернення).

Тягове зусилля електромагніту

Скориставшись рівнянням рівноваги напруги в процесі спрацьовування електромагніту

і помноживши його почленно на іdt, дістанемо вираз для енергії

який показує: повна енергія, що споживається електромагнітом з мережі за час dt(Uidt), витрачається на нагрівання обмотки (i2Rdt) і на створення магнітного поля (iwdФ).

Енергія, що витрачається на створення тягового зусилля, є частиною енергії магнітного поля. Тому розглянемо докладніше останній доданок виразу (12.4).

Очевидно, що вся енергія А, витрачена на створення магнітного поля за час спрацьовування електромагніту, може бути знайдена як визначений інтеграл у межах зміни магнітного потоку:

Цей інтеграл можна тлумачити як площу фігури, розміщеної між кривою намагнічування й віссю ординат (рис. 12.2).

Рис. 12.2. Графічне зображення енергії електромагніту в процесі спрацьовування

Під час спрацьовування електромагніту крива намагнічування його магнітного кола не залишається сталою. Процес починається при максимальному зазорі, який не змінюється за час наростання потоку від нуля до значення потоку зрушення Ф 1. При цьому енергія, накопичена полем до моменту зрушення якоря, чисельно дорівнює площі фігури 0ab0:

Далі, в міру притягання якоря та зменшеній зазору до остаточного притягання, потік змінюватиметься за перехідною кривою ас, а енергія, що перейшла в енергію поля за час руху

дорівнюватиме площі фігури acdb.

Отже, вся енергія, що перейшла в енергію поля під час спрацьовування електромагніту, відповідатиме площі фігури 0acdb0:

Проте, після притягання якоря енергія, нагромаджена полем, визначатиметься площею фігури, розміщеної між кривою намагнічування 0с, яка відповідає мінімальному зазору, та віссю ординат Ae-S0cdb0.

Очевидно, що енергія, витрачена на притягання якоря, дорівнює

Силу притягання (тягове зусилля) електромагніту можна знайти як похідну енергії за шляхом руху якоря:

Знак "-" у (12.5) означає, що тягове зусилля виникає в результаті зменшення енергії поля.

Нелінійність кривих намагнічування ускладнює точний аналітичний розрахунок тягового зусилля. Тому введемо два припущення, що дають змогу істотно спростити задачу із збереженням потрібної точності - обмежимо розгляд початковою, лінійною ділянкою характеристики намагнічування і вважатимемо МРС котушки електромагніту в процесі руху якоря незмінною (рис. 12.3,а).

а) б)

Рис. 12.3. Спрощені енергетичні залежності

Тоді для робочого зазору

або, зважаючи на те, що Ф=(iw) , дістаємо остаточно

де - провідність зазору.

Коли припустити, що під час руху якоря лишається незмінною не МРС котушки, а потік (рис. 12.3, б), то

де Rм - магнітний опір.

З (12.6), (12.7) та рис. 12.3 випливає, що в разі сталості МРС або потоку в механічну енергію переходить половина електромагнітної енергії, що споживається за час руху якоря.

Вирази (12.6) і (12.7) ідентичні і легко перетворюються один в другий. Підставивши Rм=1/ в (12.7), дістанемо

В будь-якому електромагніті для магнітного потоку, крім основного, існують побічні шляхи, що шунтують робочий зазор. Наявність їх приводить до того, що частина магнітного потоку (витік) не проходить через робочий зазор і, отже, не бере участі в створенні тягового моменту.

Витік залежить як від конструкції та конфігурації магнітопроводу, так і від розміщення обмотки, а за інших однакових умов він тим більший, чим більший магнітний опір робочого зазору.

Незважаючи на досить велику кількість різноманітних конструкцій і конфігурацій магнітопроводів, їх теоретичний розгляд можна звести до двох основних випадків: 1) МРС зосереджена на початку магнітопроводу; 2) МРС розподілена вздовж магнітопроводу.

В першому випадку (рис. 12.4,а) магнітний потік на будь-якій довільній відстані х - лінійна функція довжини l магнітопроводу:

де g - питома провідність.

Рис. 12.4. Електромагніти з різним розподілом магнітного потоку

В другому випадку (рис. 12.4,б) потік змінюється майже пропорційно до квадрата довжини магнітопроводу:

В реальних електромагнітах магнітне коло звичайно виконують складеним. Тому крім робочого зазору є неробочі, конструктивні зазори, що мають певний вплив на розподіл потоку.

За наявності зазорів з двох боків (рис. 12.4,в) у випадку розподіленої МРС максимум потоку досягатиметься в середній частині магнітопроводу (на відстані l1 від початку). При цьому квадратична залежність потоку від відстані має зберігатися. електромагніт струм намагнічування

Для лівої та правої частин електромагніту рівняння зміни потоку

Підставивши в це рівняння

 та

Дістанемо

звідки після скорочення і нескладних перетворень остаточно знайдемо

Вирази (12.9), (12.10) дають змогу знайти розподіл та величину потоку для будь-якого виду магнітопроводу, коли відомі провідності витоку і зазорів.

В основу визначення магнітних провідностей зазорів будь-якої конфігурації на практиці здебільшого покладено метод заміни реального зазору сумою плоскопаралельних.

Іноді вдається отримати досить точний аналітичний вираз або доводиться користуватися графічними побудовами. Проте це не виключає можливості застосовувати емпіричні вирази, здобуті дослідним шляхом.

Розрахунок електромагніту постійного струму

Розрахунок електромагніту постійного струму буває орієнтовний (такий, що базується на інтуїтивному виборі вихідних даних) і робочий (який дає змогу уточнити основні параметри і перевірити, наскільки повно задоволені вимоги завдання).

Орієнтовний розрахунок - це вибір конструкції електромагніту та матеріалу осердя і визначення основних розмірів магнітного кола і котушки. Вибір конструкції та матеріалу не є критичним, оскільки завдання в принципі можна задовольнити, застосувавши різноманітні конструкції, виконані з різних магнітних матеріалів. Тому під час розв'язування таких задач виходять з призначення електромагніту, технології та економічності виробництва, зручності експлуатації, а також матеріалу, який вже є або який потрібно дістати.

Для магнітного кола звичайних електромагнітів найчастіше використовують низьковуглецеві та високоякісні конструкційні сталі; для швидкодіючих електромагнітів, таких, що мають знижену електропровідність, - електротехнічні сталі марок 311, 321 тощо; для високочутливих реле - низьконікелеві пермалої марок 45 НП та 50 НП.

Наявність аналітичних виразів, які пов'язують магнітні провідності зазору з його величиною, дає змогу дістати розрахункові рівняння, щоб визначити тягове зусилля та виявити характер тягової характеристики. Беручи до уваги, що для плоско-паралельного зазору

(де , - відповідно провідність і довжина зазору; S - площа перерізу осердя електромагніту), після підстановки в (12.6) дістаємо вираз, Н:

Отже, тягова характеристика електромагніту постійного струму являє собою обернено пропорційну квадратичну залежність зазору, тобто має крутоспадаючий характер.

Крім того, використовуючи вираз (12.7) і підставляючи в нього значення магнітного опору зазору

де 0 - магнітна стала; 0=4107 Гн/м, маємо

або, виконуючи заміну Ф=B S, дістаємо

Вирази (12.12) і (12.13), відомі як формули Максвелла, завдяки простоті їх використовують під час розрахунків не лише для плоско-паралельних, а й для інших видів зазорів.

Вибираючи значення індукції в зазорі B або конструкцію, доцільно використовувати емпіричні залежності (рис. 12.5), запропоновані Ротерсом, які ґрунтуються на умові здобуття найбільш економічного електромагніту (найменші витрати матеріалів - сталі та міді).

Рис. 12.5. Емпіричні залежності для орієнтовного вибору параметрів магнітного кола

Проаналізувавши численні розрахунки електромагнітів, Ротерс ввів параметр, який не має фізичного смислу, - так званий номер індексу (НІ) або конструктивний фактор (КФ). Залежно від нього і потрібно вибирати конструкцію (рис. 12.5), оптимальну індукцію в зазорі B та конфігурацію вікна обмотки (відношення l/h):

де Fmin - тягове зусилля для максимального зазору, Н; max - максимальний зазор, м.

На рис. 12.5 - коефіцієнт прямокутності петлі гістерезису.

Орієнтуючись на забезпечення потрібного зусилля в разі максимального зазору, знаходять площу перерізу осердя:

Далі визначають МРС (iw), необхідну для створення вибраного значення індукції в зазорі:

і повну МРС котушки з врахуванням втрат МРС в неробочих зазорах і магнітопроводі:

Завершуючи орієнтовний розрахунок, на основі залежності між МРС і розмірами котушки знаходять

де j - допустиме значення густини струму в котушці; k=0,25...0,3; l - довжина магнітопроводу.

Із знайденого з кривих Ротерса відношення l/h=т, задавшись значеннями j і k0 (h - ширина магнітопроводу), запишемо

Як правило, для орієнтовного розрахунку беруть j=3...4 А/мм 2 і k=0,25..:0,3.

Такий розрахунок закінчують побудовою ескізу магнітного кола та картини розподілу потоку. Приклад відповідної побудови показано на рис. 12.6.

Рис. 12.6. Характеристика розподілу потоку у втяжному електромагніті

В [2, 49, 53] викладено багато різних методів робочого розрахунку. Обмежимося лише одним, який дає змогу отримати достатню для практичних цілей точність.

В основу цього методу покладено побудову сім'ї навантажувальних характеристик

Fe=f(iw)=const.

Для цього, задаючись чотирма-п'ятьма значеннями робочих зазорів від 0 до max, обчислюють для кожного з них F і (iw) при чотирьох-п'яти значеннях індукції (0.5..,1,2)B.

В результаті для кожного з вибраних значень зазору отримують чотири-п'ять точок, за якими будують навантажувальну характеристику.

Використовуючи множину навантажувальних характеристик разом з механічною характеристикою, графічно будують тягову характеристику і визначають МРС спрацьовування (iw)спр та відпускання (iw)відп (рис. 12.7).

Робочу МРС знаходять за (iw)ср, враховуючи вибраний коефіцієнт запасу kз.ср.

Робочий розрахунок завершують розрахунком котушки електромагніту, тобто вибирають обмотувальний дріт і визначають число витків.

Рис. 12.7. Графічна побудова тягової характеристики за навантажувальною та механічною характеристиками

Контрольні питання

1. Принцип дії, механічна і тягова характеристики електромагніту постійного струму.

2. Тягове зусилля електромагніту, його розрахунок.

3. Розрахунок електромагніту постійного струму.

Размещено на Allbest.ru